1、本科毕业论文（20 届）GPS 测量最优时间段的选择所在学院专业班级 测绘工程学生姓名指导教师完成日期GPS 测量最优时段的选择【摘要】 GPS 被应用于测绘领域中是现代测量技术的一次革命，随着测量技术和理论方法的快速发展，GPS 以其定位精度高，对测量条件要求较低，节省成本等诸多优点在很多方面代替了传统的测量方式。卫星的几何分布是影响 GPS 测量精度的因素之一。本文就如何选择 GPS 最优测量时间段从而获得较优的卫星空间几何分布做了探究和分析，并结合卫星星历获取软件详述了 GPS 最优时间段选择的方法，总结了几种卫星星历的获取方式，并且探究了海拔和经纬度对 PDOP 值的影响，为 GPS
2、最佳时间段的选择做了具有普遍性的总结和参考。【关键字】GPS 测量；卫星星历；PDOP 值；最优观测时间目录1.引言 .11.1 研究背景 .11.2 研究现状 .11.3 研究目的和意义 .12.GPS 概述 .12.1 GPS 的发展与组成 .12.2 GPS 的定位原理 .22.3 GPS 测距原理 .23.GPS 测量相关规定和要求 .24.GPS 测量误差分析 .44.1 误差来源综述 .44.2 卫星的几何分布对 GPS 测量精度的影响 .45.GPS 测量最优时间段的选择 .45.1 软件简介 .45.2 星历文件的获取 .45.3 成果输出 .55.4 最优时间段的综合分析 .
3、85.5 海拔和纬度对有效卫星数目和 PDOP 值的影响 .86.总结 .9致谢语 .1011.引言1.1 研究背景GPS 系统即全球定位系统被应用于测量领域并且经过数十年的发展，GPS 测量技术，数据处理方法，以及 GPS 用户端的开发和更新，GPS 已经满足了大部分工程测量的精度需求和测设条件。1.2 研究现状在现代测量技术中，GPS 测量技术越来越成熟，有部分公司和一些网站为了提供可靠的卫星星历文件，自主研发了卫星星历的获取软件并免费对外开放，用户可各需索取。星历文件提供了卫星的分布情况，PDOP 值等并通过明显的方式呈现给用户，使得用户可根据实际的测量条件进行方案的设计。星历文件的获取
4、不但为 GPS 用户提供了方便，也使得测量的精度有了更好的提高。1.3 研究目的和意义在现代测量技术中，利用传统的测量方法显然已经不能满足现代工程建设的发展和需求。利用 GPS进行定位测量已经成为主流技术，因此在满测量所需精度的条件下怎样提高其测量的精度，优化测量方法，使得 GPS 更好的为人们服务是一项重要的课题。本文从 GPS 误差来源入手，阐述卫星几何分布和接收有效卫星数目对测量精度的影响，详细分析了 GPS 测量较优时间段选择，为 GPS 测量最优时间段的选取提出一些具有普遍意义的结论。2.GPS 概述2.1 GPS 的发展与组成美国子午卫星系统的建成与发展具有划时代的意义，它的建立是
5、为了满足美国海军全球定位导航的需求，但是因其卫星数量少，不能满足三维连续导航，并且一次导航解算所需的时间较长等缺点，美国军方迫切寻求一种新的导航系统来替代它，GPS 即全球定位系统呼之欲出。1973 年美国为了满足军用的需求，开始了全球定位系统的研发和建立。但是由于 1983 年一架韩国客机误入苏联后被击落，美国宣布 GPS 系统向民用开放。随着美国 SA 政策的取消，GPS 系统的全面建成以及技术的发展，全球定位系统的应用越来越广泛，工程测量是其应用的一个重要领域。随着技术的提高，和理论方法的不断完善，GPS 定位精度日益满足人们建设和生活的需求，它将带给人类更多的便捷与服务，并且创造出难以
6、估计的价值。未来 GPS 的发展可能逐渐会退出垄断的地位，随着中国，日本，俄罗斯，和欧盟的不断崛起，它们会在以后的卫星导航产业中扮演重要的角色。中国北斗导航卫星系统的建成也将对 GPS 形成不小的冲击。不光是 GPS，全球定位技术的发展在未来绝不是单一的，它将依靠其他科学技术的综合利用体现其价值。组成 GPS 系统的总共有三大部分组成。第一是 GPS 系统尤为重要也是将卫星信号采集处理然后注入卫星的部分；第二是空间部分，它包含了 24 颗卫星，通过电磁波向地面发射信号；第三是用户设备部分，它将接收到的信号进行计算分析得出用户所在的位置、时间、运动速度等。这三部分各司其职发挥着各自的功能，使 G
7、PS 系统良好的运行。2.2 GPS 的定位原理利用 GPS 进行空间定位就是通过测量卫星到接收机部分的距离，确定接收机的空间坐标，实现的过称为公式（2-1）：2Mn=(x-Xn)+(y-Yn)+(z-Zn) （2-1）公式中 Mn 为卫星到接收机的距离，x,y,z 是卫星的三维坐标，Xn,Yn,Zn 是接收机的三维坐标。从理论上来讲只要三组这样的数据即可，其他的是为了提高准确性而做的工作。静态定位的含义是将卫星信号接收部分放置在固定不变的位置上，或者说是在某一位置达到一定的观测时间。静态定位观测特点是连续长时间的进行观测，并且在得到精度较高的观测结果。动态定位则不然。因为用户部分的位置不是一
8、成不变的，所以这种测量的方式对测量结果不能要求太高。绝对定位是只通过一台接收机接收卫星信息来确定卫星到接收机的距离。通过空间几何的知识我们明白在三维空间中只需要通过三个卫星到接收机距离的数据就可以确立接收机的具体位置，但是实际中为了提高精度或者获取必要的参数，接收机要同步观测 4 颗或 4 颗以上的卫星。绝对定位比较简单，数据处理也较简便，但是它的定位精度不高，实际情况是它的定位方式和精度都不能满足更多的需求和服务。相对定位是通过两台或者两台以上的接收机同时观测同一组卫星来确定位置的。这种用多台接收机采用求差的方法可以达到很高的定位精度。2.3 GPS 测距原理卫星到接收机的距离与真实值有一个
9、差值，这种带有差值的距离较之实际距离称之为伪距 1。这种差值的出现有许多因素如大气中对流层与电离层对电磁波信号传输的影响等。GPS 接收机到卫星的距离是通过简单的原理测定的即: 距离=时间速度。用公式（ 2-2）表示：L=CT （2-2）C 是信号的传播速度，T 是从卫星信号发射到接收机接收到信息的时间，L 是接收机到卫星的距离在这个过程的实现中，C 是已经测定的 C3*108m/s ，但是因为传播介质的变化，如电流层和对流层对波速的影响，再加上接收机种和卫星钟的不同步影响使得 L 的测定不等于理论值。通过资料表明虽然伪距法定位的速度较快，但是 P 码受到美国军方的控制，再加上美国人为的对卫星
10、星历和卫星钟的精度降低，让 C/A 码进行伪距定位的精度大大降低。 载波相位的工作实质是由接收机产生出一个和卫星信号完全相同的基准信号，在某一时刻接收机产生的基准信号相位为 0 经过一段时间接收到卫星信号的相位为 1，那么接收机到卫星的距离用公式（2-3）表示：Ln=( 0- 1) （2-3）但须注意的是采用这种方法，如果信号中断也就是所说的周跳，则会失去一部分整周数，影响测量精度。3.GPS 测量相关规定和要求全球定位系统(GPS)测量规范 （GB/T 18314-2001）GPS 测量按其精度划分为 AA、A 、B、C 、D、E 级，各级 GPS 测量的用途如表 3-1表 3-1 各级 G
11、PS 测量用途B 精密工程测量、变形监测3C 大、中城市及工程测量的基本控制网D、E 中、小城市、城镇及测图、地籍、土地信息、 房产、建筑施工等的控制测量B、C、D、E 级 GPS 网按表 3-2 规定执行。表 3-2 GPS 观测技术要求级别 AA A B C D.E单频 双频 双频 全波长 双频全波长 双频 双频或单频 双频或单频观测量至少有 L1、L2 载波相位 L1、L2 载波相位 L1、L2 载波相位 L1 载波相位 L1 载波相位同步观测接收机数 5 4 4 3 2B、C、D、E 级 GPS 网观测的基本技术规定应符合表 3-3 的要求表 3-3 GPS 观测技术要求级别B C D
12、 E卫星截止高度角、度 10 15 15 15同时观测有效卫星数 14 4 4 4有效观测卫星总数 20 6 4 4同时观测数 3 2 1.6 1.6时段长度 23 4 60 40采样间隔、秒 30 10-30 5-15 5-15注 1:计算观测有效卫星总数时，应将各时段的有效卫星数扣除其间的重复卫星数。注 2：观测时段长度，应为开始记录到结束记录的时间段。注 3：观测时段1.6，指每站至少观测 1 时段，其中第二次设站点数应不少于 GPS 网总数的6044.GPS 测量误差分析4.1 误差来源综述GPS 测量的误差主要来源于三大本部分。一是卫星部分，而是在信号传播的部分，三是在接受机接收的部
13、分 1。其中卫星部分包含星历误差，卫星钟误差等，在信号传播的部分包含电离层和对流层对电磁波的折射误差等，在接收机部分包含接收机钟误差，天线相位中心误差等。除此之外在高精度的测量中还要考虑地球潮汐等相关因素。经过相关方法的论证和大量实验表明，对于不同因素产生的误差可以采用相关方法得以减弱或消除。4.2 卫星的几何分布对 GPS 测量精度的影响我们知道 GPS 在进行数据采集的时候，观测时段的选择将会给结果造成一定的影响，因为在不同观测时段，GPS 卫星部分的空间分布不一样的。在不同的地域，GPS 接收机接收到的卫星数目也是不同的，然而测量成果的好坏与接收机和卫星部分的几何形状有相当大的系，因此在
14、测量时满足接收机接收 4 颗以上效卫星数的条件同时应该选取 PDOP 值较小的时段观测，来提高定位的精度。如果不满足数据的采集条件如 PDOP 值不符规范等，就会对测量成果造成很大的影响使采集数据失效。为了更具有说服力在此处本文搜集了相关的实验数据表明说明卫星的几何分布和有效卫星数目对测量精度有一定的影响。有实验实验数据和相关理论得到：1）GPS 定位的精度并不随观测时间的过多增加而一味地提高 2。2) 在时间段的选择上，用较优良的观测条件和较短的观测时间同样可以达到较为理想的观测效果，满足精度的要求 3。因此为了最大限度的得到较优的测量数据和成果并且节省成本，有必要对观测时间的选取进行分析。
15、5.GPS 测量最优时间段的选择5.1 软件简介随着北斗二代商用的开始，为了摆脱国外技术垄断和高昂的费用国内导航市场积极响应，借此机会中海达公司推出了一款全免费的卫星星历预报软件。该软件客户端体积小，兼容性好，操作简单，界面美观，并且支持北斗，GPS， GLONASS 等导航系统的卫星星历文件下载，并且完全展示卫星时段、卫星分布、卫星轨道、和 PDOP 值变化情况。为定位测量时间段的选择提供了非常大的帮助，该软件可预报世界上任何一点，任何时间的卫星，并且支持 Yuam、Rinex、Alm 及 AGL 星历数据格式。5.2 星历文件的获取卫星星历的获取有多重方式，在此处为大家提供几种卫星星历的获
16、取方式：1）通过南方测绘官网 http:/ Yuma 外链进行星历下载。2）通过网站 http:/ 进行下载。3）通过中海达官网提供的星历预报软件进行直接下载。下面本文将借助中海达星历预报软件 Star Report 来分析根据某一测区某一时段的 PDOP 值来确定最佳观测时间。在此次的星历预报获取中，采用了福建省龙岩市的的经纬度。在此参数的设置中为了方便描述只取经纬度中值即可。因为中国统一用北京时间，所以输入参数如图 5-1 所示：5图 5-1 参数设置然后输入仪器设置和采集条件中相关参数，如采集时间等。最后选择下载星历文件的保存路径。点击确定就可获得如下的卫星星历文件图 5-2。图 5-2 卫星星历文件5.3 成果输出在操作界面选择勾选 GPS 选项并进行下载卫星星历，下载完成后即可得到相关的卫星星历文件，PDOP 变化值图，卫星时段图，卫星轨道图等信息。如下是经过上述步骤后得到的卫星数目变化图 5-3，PDOP 值变化图 5-4，卫星时段图 5-5，以及卫星分布图 5-6，卫星轨道图 5-7。依靠这些直观的图形我们可以分析和总结出该观测区的最佳观测时段。6图 5-3 卫星数目变化图图 5-4 PDOP 值变化图7图 5-5 卫星时段图图 5-6 卫星分布图
